Prototyping und Fertigung von Mikrofluidikchips aus Quarzglas

Das Anwendungsspektrum mikrofluidischer Systeme ist vielfältig und oft kundenspezifisch. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT stellt daher ein Fertigungsverfahren für 3D-Kanalstrukturen zur Verfügung, welches aus den digitalen Konstruktionsdaten komplexe Strukturen mithilfe von Ultrakurzpulslaserstrahlung (UKP) direkt in Quarzglas schreibt. Mit diesem maskenlosen Direktverfahren wurden unter anderem Glaschips für Aufgabenstellungen entwickelt wie zum Beispiel: Tröpfchengeneration für segmentierte Flüsse, Markermoleküldetektion in der klinischen Diagnostik oder Hochdurchsatz-Durchmusterung für die Biotechnologie.

Mit dem Laserfertigungsverfahren »Selektives Laserätzen« (Selective Laser-induced Etching SLE) steht ein Herstellungsverfahren für Mikrokanäle, Formbohrungen und -schnitte in transparenten Bauteilen aus Quarzglas, Borosilikatglas, Saphir und Rubin zur Verfügung. Mikrometergenaue Strukturen im Volumen und an der Oberfläche mit bis zu mehreren Zentimetern Ausdehnung werden direkt aus 3D-CAD-Daten hergestellt.

Ultrakurzgepulste, fokussierte Laserstrahlung wird in einem transparenten Werkstück nur im Fokusvolumen durch Mehrphotonenprozesse absorbiert. Im Fokusvolumen erfährt das transparente Material eine Änderung seiner optischen und chemischen Eigenschaften ohne Rissbildung, wodurch es selektiv chemisch ätzbar wird. Herzustellende Strukturen werden mit dem UKP-Laser belichtet und anschließend nasschemisch geätzt. Mit diesem Verfahren können Mikrokanäle, Formbohrungen, funktionale Bauteile und komplexe mechanische sowie optische Systeme hergestellt werden.

Durch die Bildung einzelner Tröpfchen lässt sich ein Fluid in viele Millionen Segmente aus Mikrotröpfchen unterteilen. Jedes Tröpfchen kann hierbei seine eigenen chemischen oder biologischen Bedingungen aufweisen, wodurch die gleichzeitige Durchführung vieler Experimente im segmentierten Fluss möglich wird. Kernelemente sind mikrofluidische Chips, die uniforme Tröpfchen mit definierter Fluidzusammensetzung reproduzierbar erzeugen und diese kontrolliert in einem Trägerfluid führen. Nach Ablage auf dem Chip stehen sie für optische Messungen sowie weitere Experimente zur Verfügung. Zur Erzeugung und Durchmusterung segmentierter Flüsse aus kleinsten Tröpfchen mit Durchmessern von 5 μm und größer wurden mikrofluidische Glaschips entwickelt und in biotechnologischen Anwendungen getestet.

Werden Partikel und Moleküle einer Lösung im laminaren Strom optisch untersucht, ist die Qualität der Messergebnisse maßgeblich von der Stabilität des Probestroms abhängig. Bei der hydrodynamischen Fokussierung wird der Probestrom durch eine Düse in einen Hüllstrom injiziert, wodurch die Position, die Geschwindigkeit und das Probevolumen am Ort der optischen Messung genau eingestellt werden können. Um diese hydrodynamische Fokussierung für die optische Messung innerhalb des Mikrofluidikchips oder für fluidisch angeschlossene Durchflussküvetten auf engstem Raum zu erzielen, wurden mikroskopische Strukturen entwickelt und erprobt.

Durch das CAD-basierte Design und die präzise Fertigung im Volumen ist es möglich, fluidische Kanäle und die Positionierung optischer Komponenten in einem einzigen Bauteil sehr kompakt zu entwerfen und kostengünstig herzustellen. Unter anderem wurden multispektrale Screeningsysteme mit Streuund Fluoreszenzlichtdetektion und integrierten faseroptischen Anschlüssen sowie fluidischen Schnittstellen zu kommerziellen Komponenten realisiert.

Die anwendungsbedingten Anforderungen an die Oberfläche von Mikrofluidiken sind vielseitig. Durch die Bindung von Silanen an die Oberfläche, lassen sich ihre Eigenschaften spezifisch auf die Anwendung anpassen. Zur Erzeugung und Prozessierung wässriger Tröpfchen in Hydrofluoroether ist zum Beispiel ein zweistufiger Prozess mit Plasmaaktivierung für die hydrophobe Oberflächenmodifikation etabliert. Für Bereiche besonders anspruchsvoller optischer Zugänglichkeit können Oberflächen mit thermischen Verfahren poliert werden.

• Prototypenentwicklung von mikrofluidischen Chips aus CAD-Entwürfen (2D/3D)
• Auslegung, Design und Fertigung kundenspezifischer Mikrofluidikchips in kleinen Losgrößen bis hin zur Serienfertigung
• Entwicklung mikrofluidischer Systeme mit optischen Funktionselementen
• Entwicklung kompakter Sensoreinheiten für Fluoreszenzund Streulichtmessung im mikrofluidischen Chip
• Machbarkeitsstudien für kundenspezifische Mess- und Screeningaufgaben